Raman Spectroscopic Study on the Structure of Silicate Slags

Abstract

A Raman spectral study has been carried out on the structure of the glassy and molten states of the binary silicates, Li2O-SiO2, Na2O-SiO2, K2O-SiO2, CaO-SiO2, SrO-SiO2 and BaO-SiO2.An argon-ion laser beam of 4880 Å has been used as an exciting light for the glassy state and 4579 Å for the molten state. New discrete Raman lines have been observed clearly in the quenched glassy samples. These spectra are compared with those measured in the crystallized stoichiometric silicates. The spectra of the glassy state exhibit four different peaks in the Raman shifts between 850 and 1100 cm−1 corresponding to the number of non-bridging oxygens for each silica tetrahedron unit. For the first time, these results give evidence for the coexistence of four different types of non-bridging oxygens, thus disproving the hitherto accepted concept that non-bridging oxygens are regarded as single O− -ion alone.Raman spectra of the alkali silicate systems, Li2O-SiO2, Na2O-SiO2 and K2O-SiO2, have been measured below and above their melting points. There is little difference in the spectra between the quenched glassy state and the molten state. The silica tetrahedron complex structure, therefore, is relatively stable in these systems and the Si-O bond stretching and Si-O-Si bending vibrations are not affected by thermal energy up to 1353 K. Résumé On a effectué, par spectroscopie Raman, une étude de la structure, aux états fondus et vitreux, des silicates binaires Li2O-SiO2, Na2O-SiO2, K2O-SiO2, CaO-SiO2, SrO-SiO2 et BaO-SiO2. Pour l'etat vitreux, on a utilisé, comme radiation d'excitation, le faisceau de 4880 Å d'un laser à argon, et celui de 4579 Å pour l'étude de l'état fondu. Nous avons clairement observé de nouvelles lignes Raman discrétes dans les échantillons de verre trempés. Ces spectres sont comparés avec ceux obtenus pour des silicates stoechiométriques cristallises. Le spectre de l'état vitreux possède quatre pics différents dans la bande Raman entre 850 et 1100cm−1, correspondant au nombre d'oxygènes non-liants pour chaque tétraèdre de silice. Pour la première fois, ces résultats prouvent la coexistence de quatre types différents d'oxygénes nonliants, venant par là même à l'encontre du concept accepté selon lequel les oxygènes non-liants sont considérés comme l'ion O− seul.Les spectres Raman des systèmes de silicates alcalins, Li2O-SiO2, Na2O-SiO2, K2O-SiO2, ont été mesurés en-dessous et au-dessus de leurs points de fusion. Il y a peu de différence entre les spectres obtenus dans l'état vitreux trempé et l'état fondu. La structure complexe de tétraèdres de silice est, par conséquent, relativement stable dans ces systémes et les vibrations d'extension des liens Si-O et celles de pliage de Si-O-Si ne sont pas affectees par l'énergie thermique jusqu'à 1353 K.